壳聚糖/明胶抗菌微胶囊的制备及其应用

2020-04-01郑云龙王进美孙正琪秦智成周娅楠

化工进展 2020年3期

郑云龙，王进美，孙正琪，秦智成，周娅楠

（西安工程大学纺织科学与工程学院，陕西西安710048）

自然界中有很多植物具有抗菌效果，如金银花具有抗菌、抗病毒作用[1]，连翘挥发油具有抗大肠杆菌O157作用[2-3]。植物抗菌材料由于其成分复杂且不易诱导细菌产生耐药性，近年来引起了很多研究者的关注[4-6]。尽管天然植物抗菌剂品种繁多，但从其有效成分的化学结构上看，可以分为黄酮类、蒽醌类、多酚类、生物碱类、苯并吡喃类、靛类、二酮类和类胡萝卜素类等[7]。黄柏具有黄酮类化合物、苯环类化合物和蒽醌类化合物等物质[8]，绿苋和龙葵含有黄酮类物质芦丁、槲皮素和酚类物质没食子酸[9-12]，由此可知三种植物均具有抗菌性。壳聚糖因具有良好的抗菌性[13-15]，被广泛地应用于纺织、食品加工等领域。Zhang 等[16]以壳聚糖（CS）、纳米TiO2和黑梅皮提取物（BPPE）为基础，研制了多功能食品包装膜。结果表明，CS/TiO2/BPPE膜可作为抗菌食品包装材料。Wijesirigunawardana等[17]以壳聚糖和阿拉伯胶为壁材，以石灰油（LO）为原料采用复合凝聚法制备了LO 微囊，开发出一种抗氧抗菌智能棉织物含LO 微胶囊的棉织物，在洗涤前后对4 种细菌表现出明显的抗菌活性。Moschona等[18]将白葡萄酒废料酚类物质包封于海藻酸钠壳聚糖时对革兰阴性菌和革兰阳性菌有显著的抗菌活性。Hu 等[19]以壳聚糖为壁经离子凝胶化反应制备肉桂-百里香-生姜复合精油纳米胶囊（CEONP），CEO-NP 对枯草芽孢杆菌和冬虫夏草具有持久的抗菌活性。

基于此，为了克服植物有效成分不稳定、贮藏不易等缺点，本文使用微胶囊技术将绿苋、龙葵和黄柏3种植物复配提取物包裹于天然抗菌材料壳聚糖中，采用复凝聚法制成天然抗菌微胶囊，研究了乳化剂含量、剪切速度、pH 对微胶囊的外观形态及尺寸的影响，确定制备最优工艺，并将其用纯棉织物的的抗菌整理，测试整理后样品的抗菌性能。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

实验材料与仪器见表1、表2。

1.2 植物提取物的制取

将烘干并粉碎至100目的绿苋称取250g，每次取5g绿苋粉末放入索氏提取器中自制的滤纸筒内，加入200mL 60%乙醇并连接好装置，80℃恒温水浴提取至溶液不变色为止，如此反复提取完250g 绿苋。提取完毕用真空抽滤。再将提取液加入旋转蒸发器进行蒸馏，至全部溶剂蒸干后，即得绿苋提取物。然后用同样的方法提取龙葵和黄柏。

1.3 抗菌微胶囊的制备

采用复凝聚法制备抗菌微胶囊：首先将冰乙酸稀释至1%，加入0.5g 壳聚糖，搅拌均匀得到壳聚糖（1%）溶液。另称取0.5g 明胶（明胶、壳聚糖质量比为1∶1），充分溶于200mL 60℃蒸馏水并加入少量乳化剂（司班-20）和4g 芯材（绿苋、龙葵、黄柏三种提取物质量比为1∶1∶1），磁力搅拌1h 后再用45℃恒温水浴，以高速切割搅拌15min。45℃恒温水浴的状态下，在搅拌下往上述乳液中缓慢滴加壳聚糖溶液，用10%氢氧化钠调节体系pH 为5.0～6.5，用900r/min 的转速搅拌20min。搅拌结束后，冰水浴将体系温度迅速降至10℃以下，加入少量戊二醛（200μL/L)搅拌固化4h。固化结束，缓慢升至室温，抽滤，水洗，干燥，制成抗菌微胶囊。

表1 实验材料

表2 实验仪器

1.4 微胶囊性能表征方法

采用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析抗菌微胶囊的化学组成部分，进而判断微胶囊的结构，测采用压片的方法进行测试，在600～4000cm-1的区间内对样品进行扫描测试；采用型号为Quanta-450-FEG+X-MAX50 的场发射扫描电子显微镜观察微胶囊的表面成形状况及织物试样表面形貌特征，测试条件为加速电压3.0kV，样品室真空度小于10-4Torr（1Torr=133.322Pa）。采用Zetasizer Nano-ZS型马尔文激光粒度分析仪对微胶囊的粒度分布进行表征分析。采用TGA2型热重同步分析仪对制备的微胶囊进行热失重测试，测试方法为：每次称量大约7mg样品装于陶瓷坩埚内，然后置于分析仪上，氮气流速为50mL/min，设置升温速率为10℃/min，升温区间50～400℃。

1.5 纯棉织物整理工艺

工艺配方：抗菌微胶囊整理剂（上述自制）质量浓度25g/L，水性聚氨酯质量分数5%，整理浴比为1∶20。

工艺曲线如下所示。

1.6 抗菌性能测试

采用GB/T 20944—2008《纺织品抗菌性能的评价》中的振荡法，测试整理后的棉织物的抗菌性能。试样称取0.75g，裁剪为5mm×5mm。选用TS-1102C 恒温摇床进行定时振荡培养，在温度(24±1)℃、转速150r/min 的条件下，振荡试样烧瓶18h。再选用GZX-150BS-Ⅲ型光照培养箱进行平皿培养，将程序按照一个太阳日的光照强度变化规律设定，将试样平皿在可见光的平均光照强度约2500lx，温度(37±1)℃的条件下培养24h。通过测定平皿中菌落数，计算得出试样瓶中的活菌浓度，再根据式(1)求出抑菌率。

式中，Y为抑菌率，%；Wb为标准空白试样振荡接触18h后烧瓶内的活菌浓度，cfu/mL；Wc为抗菌织物试样振荡接触18h 后烧瓶内的活菌浓度，cfu/mL。

表3 抗菌织物的抑菌率指标

1.7 试样的耐洗色牢度测试

为了测试织物的耐久性抗菌性能，按照GB/T 12490 中的洗涤方法进行洗涤，洗涤次数为20/50次。从抗菌织物中取各个小样（每个尺寸10cm×10cm，剪成2 块），按照GB/T 12490 中的试验条件进行洗涤，采用标准洗涤剂。下述程序相当于5次洗涤：水温(40±3)℃，洗涤剂质量分数0.2%，150 mL 溶液，钢珠10 粒，洗涤45min。洗涤后取出试样，在(40±3)℃和100mL 的水中清洗2 次，每次1min。重复此程序，直到规定的洗涤次数。为防止残留的洗涤剂干扰抗菌性能测试，最后一次洗涤结束后充分清洗试样，然后烘干。

2 结果与讨论

2.1 微胶囊外观形貌分析

采用复凝聚法制备混合提取物（绿苋、龙葵、黄柏提取物的质量比为1∶1∶1）-明胶/壳聚糖抗菌微胶囊，加入3%乳化剂（司班-20），在转速为6000r/min 和pH=5.5 的条件下制得抗菌微胶囊样品，在扫描电镜下观察微胶囊的表面形态、粒径大小、分布等情况，结果如图1所示。制得的微胶囊样品近似圆球形，形态饱满，表面光滑，有部分破裂，微胶囊之间出现粘连现象，粒径较大，但均在在5μm以下。

2.1.1 乳化剂含量对微胶囊形态影响

图1 抗菌微胶囊

图2 不同乳化剂含量制备的微胶囊

将乳化剂质量分数分别设定为4%、5%、6%、7%制备抗菌微胶囊，采用扫描电子显微镜观察其外观形貌，图2显示出不同的乳化剂含量制得的抗菌微胶囊。由图可见，当乳化剂质量分数为4%时，微胶囊粒径较大且有破损现象；当乳化剂质量分数为5%时，微胶囊成形粒径小且粘连较少；当乳化剂质量分数为6%时，微胶囊成球性差，表面粗糙；当乳化剂质量分数为7%时，微胶囊成球量少破损较多且粘连严重，这可能是乳化剂用量过多，会使乳滴的黏度增大，不易分散。综上所述可知最佳乳化剂质量分数为5%。

2.1.2 剪切速度对微胶囊形态影响

将微胶囊的剪切速度分别设定为7000r/min、8000r/min、9000r/min、10000r/min 制备抗菌微胶囊，采用扫描电子显微镜观察其外观形貌，图3显示出不同的剪切速度制得的抗菌微胶囊。由图可见：当微胶囊的剪切速度为7000r/min 时，微胶囊粒径大小不一，成球量少；当微胶囊的剪切速度为8000r/min时，微胶囊粒径大小均匀，且成球量多；当微胶囊的剪切速度为9000r/min时，成球量下降，破损与粘连现象出现；当微胶囊的剪切速度为10000r/min时，微胶囊成形差，破损较多，这可能是剪切速度过高导致原本已部分成形的微胶囊又出现破损。综上所述可知最佳剪切速度为8000r/min。

图3 不同剪切速度制备的微胶囊

2.1.3 pH对微胶囊形态影响

将微胶囊的体系pH分别设定为5.0、5.7、6.3、7.0 制备抗菌微胶囊，采用扫描电子显微镜观察其外观形貌，图4 显示出不同的体系pH 制得的抗菌微胶囊。由图可见：当微胶囊的体系pH 为5.0 时，微胶囊成球量少；当微胶囊的体系pH为5.7时，成球量明显增多，粒径大小较为均匀；当微胶囊的体系pH 为6.3 时，微胶囊粒径大小不一且有粘连现象；当微胶囊的体系pH为7.0时，微胶囊几乎无成形。综上所述可知最佳体系pH为5.7。

图4 不同pH制备的微胶囊

2.2 微胶囊粒径分析

图5 微胶囊粒径分析图

由上述分析可知，制备抗菌微胶囊的最佳工艺条件为乳化剂质量分数为5%、剪切速度为8000 r/min、最佳体系pH为5.7。图5为最佳工艺条件所制抗菌微胶囊粉末的粒径分布图。可以看到，大部分微胶囊的尺寸都分布在1480～3580nm 之间，平均粒径为2530nm，其中2300nm 左右所占比例最高，并呈正态分布。微胶囊粒径分布集中，均匀度好，粒径控制较好。通过分析比较可知，由马尔文激光粒度仪测定的微胶囊粒径略小于扫描电镜分析结果，这是由于在扫描电镜中观察发生团聚的微胶囊在纯水中分散程度高，因此马尔文粒度分析仪的测试结果较电镜中观察的结果偏小，但更为准确客观。

2.3 微胶囊红外光谱分析

图6为抗菌微胶囊、壳聚糖、明胶、绿苋提取物、龙葵提取物、黄柏提取物的红外光谱曲线图。绿苋和龙葵提取物的红外光谱在3316～3330cm-1处是的OH伸缩振动，3276～3286cm-1是羟基自由基（）的伸缩振动吸收峰，2358～2366cm-1处是双键三键累积区，1610～1614cm-1处是苯环的伸缩振动吸收峰、α，β不饱和酮伸缩振动，1596cm-1处是苯环的骨架振动，1357cm-1处是伸缩振动和（C-3位）面内弯曲振动，1016cm-1处的反对称和对称伸缩振动，与文献中[20-21]芦丁和槲皮素、没食子酸红外光谱图相吻合。黄柏提取物与黄柏酮标准品在2973cm-1、1369cm-1、1022cm-1等波长处的吸收峰相似，峰形和小檗碱标准品以及黄柏酮标准品[22]的基本一致。这些吸收峰几乎同样存在于抗菌微胶囊的吸收峰中，证明微胶囊中包含三种植物提取物。

图6 微胶囊红外光谱图

2.4 微胶囊热稳定性分析

样品的TG 测试曲线反映了抗菌微胶囊的质量变化与温度的关系，可以用来评价制得抗菌微胶囊的热稳定性。所得抗菌微胶囊的TG 曲线如图7 所示，DTG曲线如图8所示。

图7 微胶囊的TG曲线

图8 微胶囊的DTG曲线

从图7 和图8 可以看出，复凝聚法制备的壳聚糖/明胶抗菌微胶囊TG 曲线上存在以下几个阶段：第一阶段在50～100℃，有少量失重，这是由于微胶囊失去水分引起的，因为在实验室自然干燥下，抗菌微胶囊会从空气中吸收一定量的水分，对实验的结果几乎没有影响；第二阶段100～312℃，失重约40%，这是壁材壳聚糖/明胶分解引起的，壳聚糖与明胶除了静电作用外，壳聚糖与明胶分子中的、和之间还存在分子内和分子间的氢键作用[23]。这些化学键的形成提高了壳聚糖与明胶复合壁材的热稳定性；第三阶段在312℃开始是芯材中有机物的碳化过程。

2.5 微胶囊棉织物抗菌性能分析

将最优方案条件下制备的抗菌微胶囊用于棉织物抗菌整理，根据1.5 节中的整理工艺整理后测试其相关指标。整理后的织物SEM图如图9所示。由图可知，制备的抗菌微胶囊颗粒通过聚氨酯已经成功的附着于纯棉织物，微胶囊处于棉纤维表面或纤网之间，分布比较均匀，其形态基本保持完整，这表明经整理剂处理后抗菌微胶囊可以被较好地整理到棉织物的表面，从而赋予织物抗菌功能。

图9 整理后织物SEM照片

图10 微胶囊棉织物对大肠杆菌的抗菌效果

抗菌实验结果表明，微胶囊棉织物对大肠杆菌（E.coli）和金黄色葡萄球菌（S.aureu）的抑菌率分别为81.43%和89.30%，抗菌效果良好，满足FZ/T 73023中的抗菌指标。这说明绿苋、龙葵、黄柏中的天然植物提取物对常见的革兰氏阴性细菌（大肠杆菌）和革兰氏阳性细菌（金黄色葡萄球菌）具有抑菌作用，可以赋予棉织物抗菌性能。

图11 微胶囊棉织物对金黄色葡萄球菌的抗菌效果

图10展示了标准空白样（B）和微胶囊棉织物试样（W）经稀释106，光照培养24h 时，培养皿中的大肠杆菌菌落数。可以看出，微胶囊棉织物试样中的菌落数明显减少，抗菌效果显著。图11 展示了标准空白样（B）和微胶囊棉织物试样（W）经稀释102，光照培养24h 时，培养皿中的金黄色葡萄球菌菌落数。可以看出，微胶囊棉织物试样中的菌落数明显减少，并且微胶囊棉织物对金黄色葡萄球菌的抑菌率优于大肠杆菌，这是由于大肠杆菌的细胞结构具有外细胞壁[24]，不容易被抗菌剂进入细胞，从而杀死细菌，因此对大肠杆菌的抗菌效果较差。

2.6 试样的耐洗色牢度分析

将整理后的棉织物进行耐久性抗菌性能测试，测试结果如图12、图13。试样在经过水洗20 次后，微胶囊棉织物对大肠杆菌（E.coli）和金黄色葡萄球菌（S.aureu）的抑菌率分别为72.65%和80.52%；50 次洗涤后，试样对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均小于70%，分析可知织物在清洗20 次后，部分微胶囊脱落，使织物具有抗菌性能下降；在清洗50 次后，较多的微胶囊脱落，使织物具有抗菌性能下降到70%以下。